(57)【要約】【課題】  燃料電池の出力特性を安定させる。【解決手段】  燃料極側セパレータ１０１において、燃料導入流路１２５および燃料供給用第２マニホールド１１５の裏面に位置するように冷却水導入流路１２９を、形成する。【選択図】      図１
2005135707.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質および該電解質の両面に配設された一対の電極を含む膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、
を有し、
前記一対のセパレータには、それぞれ反応ガス供給用開口部が設けられ、一方の面に、反応ガス流路と、前記反応ガス供給用開口部から前記反応ガス流路に反応ガスを導く反応ガス導入流路と、を有し、
少なくとも一方の前記セパレータの前記反応ガス導入流路の裏面に冷却水の流路が設けられたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、前記冷却水の流路は、前記反応ガス供給用開口部の外周全体に前記冷却水が通水するように構成されたことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池において、
前記一対のセパレータには冷却水供給用開口部が設けられ、
前記反応ガス供給用開口部および前記冷却水供給用開口部は、前記反応ガス流路の上方に設けられ、
前記冷却水供給用開口部は、前記反応ガス供給用開口部よりも実質的に上方に位置し、
前記冷却水が前記冷却水開口部から鉛直下方に向かって流れるように構成されたことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池において、
前記冷却水供給用開口部が、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給する二つの前記反応ガス供給用開口部の間に位置し、
前記酸化剤ガスを供給する前記反応ガス供給用開口部よりも前記燃料ガスを供給する前記反応ガス供給用開口部に前記冷却水供給用開口部が近接していることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれかに記載の燃料電池において、前記反応ガス導入流路は、前記反応ガス供給用開口部から上部に向かって設けられた接続流路を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
反応ガス供給用開口部と、一方の面に設けられた反応ガス流路および前記反応ガス供給用開口部から前記反応ガス流路に反応ガスを導く反応ガス導入流路と、を有し、
前記反応ガス導入流路の裏面に冷却水の流路が設けられたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記冷却水の流路は、前記反応ガス供給用開口部の外周全体に前記冷却水が通水するように構成されたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池および燃料電池用セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、１００℃以下の低温で作動する固体高分子型燃料電池が知られている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。
燃料極：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-（１）
空気極：１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ（２）
【０００４】
燃料極においては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式（１）に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、空気極においては、空気極に供給された酸化剤ガスに含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式（２）に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される。
【０００５】
また、燃料極および空気極の外側にはセパレータが設けられる。燃料極側のセパレータには燃料ガス流路が設けられており、燃料極に燃料ガスが供給される。同様に、空気極側のセパレータにも酸化剤ガス流路が設けられ、空気極に酸化剤ガスが供給される。なお、本明細書において、燃料ガスおよび酸化剤ガスをあわせて「反応ガス」と呼ぶ。また、これらのセパレータ間には、電極を冷却するための冷却水の流路が設けられる。
【０００６】
ここで、反応ガスは、通常加湿器により加湿されて導入されるが、反応ガス供給用のマニホールド内において冷却されると、大量の凝縮水が発生する。しかし、従来の燃料電池用セパレータにおいては、反応ガス供給孔から反応ガス流路への導入部において、冷却を防止する手段は講じられておらず、反応ガス由来の凝縮水がセパレータの反応ガス供給孔上に堆積したり、反応ガス供給孔から反応ガス流路に浸入したりするといった問題点があった。このため、従来の燃料電池用セパレータでは、反応ガスの流路が凝縮水によって閉塞され、電極表面への均一な反応ガスの供給が阻害され、燃料電池の出力が低下することがあった。
【０００７】
そこで、ガス中の水分の凝縮、結露による電池特性の低下を回避する技術が提案されている（特許文献１）。特許文献１では、セパレータの冷却水通流溝を燃料ガスの供給に用いられる開口部の近傍の側端部に設けることにより、ガス入口側マニホールドの部分を昇温させることが記載されている。
【０００８】
ところが、特許文献１の構成では、燃料電池の出力の低下の抑制という観点では改良の余地があった。また、加熱水をガス入口側に供給するための連通管を設ける必要があったため、燃料電池全体の構成が複雑化、大型化してしまっていた。
【特許文献１】特開平１０−６４５６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池の出力特性を安定させる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、燃料電池の出力特性を安定させるという観点から鋭意検討を重ねた。その結果、従来の燃料電池の構成では、加湿された反応ガスから発生した凝縮水による反応ガスの供給阻害を充分に抑制することができないことが見出された。
【００１１】
前述した特許文献１の構成では、セパレータの一方の面に形成されたガス入口が他方の面に貫通しており、ガス入口が貫通した他方の面にガス入口側マニホールドが形成されている。このため、冷却水通流溝がガス入口の近傍に設けられているものの、ガス入口からガス入口側マニホールドを経由してガス通流溝に反応ガスが供給される経路において、反応ガスの冷却を充分に抑制することができなかった。このため、ガス入口側マニホールドまたはガス通流溝で生じた凝縮水によって、反応ガスの安定的な供給が妨げられることが見出された。
【００１２】
このように、加湿された高露点温度の反応ガスが放熱により冷却されると、凝縮水が発生する。凝縮水が発生すると、反応ガスの供給経路が水で閉塞されて流れが阻害されるため、出力特性の不安定化を招く。そこで、本発明者は、反応ガス流路の上流における反応ガスの冷却を抑制し、反応ガスの露点温度を向上させる観点から検討を重ね、本発明に至った。
【００１３】
本発明によれば、電解質および該電解質の両面に配設された一対の電極を含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を有し、前記一対のセパレータには、それぞれ反応ガス供給用開口部が設けられ、一方の面に、反応ガス流路と、前記反応ガス供給用開口部から前記反応ガス流路に反応ガスを導く反応ガス導入流路と、を有し、少なくとも一方の前記セパレータの前記反応ガス導入流路の裏面に冷却水の流路が設けられたことを特徴とする燃料電池が提供される。
【００１４】
本発明に係る燃料電池では、本来は電極における反応熱を冷却するために供給される冷却水を、反応ガス導入流路の裏面に簡単な構成で供給する。このため、冷却水の熱により反応ガスの冷却を抑制し、反応ガスの露点温度を向上させることができる。よって、反応ガス導入流路とマニホールド周辺における凝縮水の発生を抑制できる。したがって、高加湿の反応ガスを膜電極接合体に確実に供給することができる。このため、凝縮水の反応ガス導入流路への進入を抑制し、反応ガスの供給を確実に行うことができる。このようにして、出力の安定性に優れた燃料電池を提供することができる。
【００１５】
本発明によれば、反応ガス供給用開口部と、一方の面に設けられた反応ガス流路および前記反応ガス供給用開口部から前記反応ガス流路に反応ガスを導く反応ガス導入流路と、を有し、前記反応ガス導入流路の裏面に冷却水の流路が設けられたことを特徴とする燃料電池用セパレータが提供される。
【００１６】
本発明に係る燃料電池用セパレータは、反応ガス導入流路の裏面に冷却水の流路が設けられた構成となっている。このため、反応ガス導入流路を裏面から確実に加温しておく構成となっている。よって、反応ガス供給用開口部から反応ガス導入流路に導かれた反応ガスの冷却による凝縮水の発生を抑制することができる。したがって、反応ガスが反応ガス導入流路を経由して反応ガス流路に安定的に供給される。このため、燃料電池の出力を安定化することができる。
【００１７】
本発明において、前記反応ガス導入流路は、前記反応ガス供給用開口部の横方向から前記反応ガス流路に前記反応ガスを導く構成とすることができる。こうすれば、反応ガスの結露により発生した凝縮水を反応ガス供給用開口部の底部に沈降させることができる。よって、簡素な構成で、反応ガス中の凝縮水を除去しつつ、反応ガス流路に反応ガスを安定的に供給することができる。
【００１８】
本発明において、前記冷却水の流路は、前記反応ガス供給用開口部の外周全体に前記冷却水が通水するように構成されてもよい。こうすれば、反応ガス供給用開口部の外周部分を覆うように冷却水の流路が構成されるため、冷却水がより均等に効率良く供給されるので、より確実に凝縮水の発生を抑制できる。
【００１９】
本発明の燃料電池において、前記一対のセパレータには冷却水供給用開口部が設けられ、前記反応ガス供給用開口部および前記冷却水供給用開口部は、前記反応ガス流路の上方に設けられ、前記冷却水供給用開口部は、前記反応ガス供給用開口部よりも実質的に上方に位置し、前記冷却水が前記冷却水開口部から鉛直下方に向かって流れるように構成されてもよい。
【００２０】
この構成により、本来は電極における反応熱を冷却するために供給される冷却水は、セパレータの上方に配置された冷却水供給用開口部から鉛直下方向に反応ガス導入流路の裏面を横切って流れることとなる。このため、簡単な構成で、冷却水の熱により反応ガスの冷却を抑制し、凝縮水の発生を抑制できる。
【００２１】
本発明の燃料電池において、前記反応ガス導入流路は、前記反応ガス供給用開口部から上部に向かって設けられた接続流路を含んでもよい。この構成では、接続流路は、反応ガス供給用開口部を通過した反応ガスを、セパレータの上方に導くようになっている。このため、反応ガスは、反応ガス導入流路において、一度セパレータの上方に導かれた後、下方の反応ガス流路に向かって流れることとなる。また、接続流路の裏面を冷却水が流れる構成となっている。このような構成とすることにより、反応ガスの結露により発生した凝縮水を反応ガス供給用開口部の底部に沈降させることができる。一方、高露点温度の反応ガスは接続流路を上方に向かって移動する。このように、本発明の燃料電池においては、凝縮水を除去して反応ガス流路に導く機構が簡素な構成で実現されている。このため、接続流路を移動する反応ガスが凝縮水を含むことによる流路の閉塞をより一層確実に抑制することができる。
【００２２】
本発明の燃料電池において、前記冷却水供給用開口部が、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給する二つの前記反応ガス供給用開口部の間に位置し、前記酸化剤ガスを供給する前記反応ガス供給用開口部よりも前記燃料ガスを供給する前記反応ガス供給用開口部に前記冷却水供給用開口部が近接している構成とすることができる。
【００２３】
この構成により、同じガス温度でも、酸化剤ガスより供給量が少ないため、放熱の影響を受けて温度が低下しやすい燃料ガス側の冷却をより効果的に制御することができ、燃料ガス側の凝縮水の発生を抑制できる。
【００２４】
本発明の燃料電池において、前記冷却水は、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスより高温であるのが好ましい。これにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスをより効率的に暖めることができ、凝縮水の発生を抑制することができる。
【００２５】
本発明の燃料電池において、前記酸化剤ガスを空気とすることができる。
【００２６】
本発明によれば、反応ガス供給用開口部と、一方の面に設けられた反応ガス流路および前記反応ガス供給用開口部から前記反応ガス流路に前記反応ガスを導く反応ガス導入流路と、冷却水供給用開口部と、他方の面に設けられた冷却水流路および前記冷却水開口部から前記冷却水流路に冷却水を導く冷却水導入流路と、を有し、前記反応ガス導入流路の裏面に前記冷却水導入流路が設けられたことを特徴とする燃料電池用セパレータが提供される。
【００２７】
本発明によれば、第１の基板および第２の基板が当接して構成された燃料電池用セパレータであって、前記第１の基板は、提供反応ガス供給用開口部と、前記第２の基板との非当接面に設けられた反応ガス流路および前記反応ガス供給用開口部から前記反応ガス流路に前記反応ガスを導く反応ガス導入流路と、を有し、前記第２の基板は、前記第１の基板との当接面に冷却水の流路を有することを特徴とする燃料電池用セパレータが提供される。
【００２８】
この構成により、本来は電極における反応熱を冷却するために供給される冷却水を、反応ガス導入流路の裏面に簡単な構成で効率良く供給することができる。このため、冷却水の熱により反応ガスの放熱による冷却を抑制し、反応ガス導入流路周辺における凝縮水の発生を抑制できる。よって、凝縮水の反応ガス流路への進入が抑制されるため、反応ガスの供給を確実に行うことができる。このようにして、燃料電池の出力特性を安定化させる燃料電池用セパレータを提供することができる。
【発明の効果】
【００２９】
以上述べたように、本発明によれば、燃料電池の出力特性を安定させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同様の符号を付し、以下の説明において詳細な説明を適宜省略する。
【００３１】
（第１の実施の形態）
本実施の形態において、一方の面に燃料流路が形成された燃料電池用セパレータ、一方の面に空気流路が形成された燃料電池用セパレータ、および燃料電池について、互いに略平行な複数の流路が形成されている場合を例に説明する。また、本実施の形態においては、燃料流路の裏面に冷却水流路が形成されている構成を例に説明するが、これに限定されるものではなく、空気流路の裏面に冷却水流路が形成されてもよいし、あるいは、一方の面に冷却水流路が形成された燃料電池用セパレータを個別に設けた構成としてもよい。
【００３２】
図３（Ａ）は、本実施の形態の燃料電池用セパレータを含む燃料電池スタックの構成を示す分解斜視図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の燃料電池スタックを裏面から見た分解斜視図である。さらに、図４は、図３の燃料電池スタックを含む燃料電池の構成を示す斜視図である。
【００３３】
図３（Ａ）および図３（Ｂ）では、スタック構成の例として２セル構造の場合を示している。セル５０の燃料極側に燃料極側セパレータ１０１、空気極側に空気極側セパレータ１４７を配設し、これを１単位として所定の単位数だけ積層することによりスタックが得られる。本実施の形態の燃料電池において、セル５０の積層数に特に制限はないが、たとえば５０〜２００セル程度の積層体とすることができる。スタックの両端にはインシュレータ２０１およびエンドプレート２１３（図３（Ａ）および図３（Ｂ）では不図示）が外側に向かってこの順に設けられる。また、インシュレータ２０１に隣接する燃料極側セパレータには、燃料極側セパレータ１０１にかわり、冷却水流路の設けられていない燃料極側セパレータ１７１を用いてもよい。
【００３４】
なお、燃料電池用セパレータは、その矩形の基板の長手方向が鉛直になるよう配置されて積層され、スタックを形成する。
【００３５】
次に、セル５０の構成について説明する。図８は、セパレータに挟持されたセル５０の断面構造を模式的に示す図である。セル５０の両側には燃料極側セパレータ１０１および空気極側セパレータ１４７が設けられる。この例では一つのセル５０のみを示すが、燃料極側セパレータ１０１や空気極側セパレータ１４７を介して複数のセル５０を積層して、燃料電池が構成されてもよい。
【００３６】
セル５０は、固体高分子電解質膜２０と、燃料極２２と、空気極２４と、を有する。燃料極２２は、積層した触媒層２６およびガス拡散層２８を有し、同様に空気極２４も、積層した触媒層３０およびガス拡散層３２を有する。燃料極２２の触媒層２６と空気極２４の触媒層３０は、固体高分子電解質膜２０を挟んで対向するように設けられる。
【００３７】
燃料極２２の側に設けられる燃料極側セパレータ１０１にはガス流路３８が設けられており、このガス流路３８を通じてセル５０に燃料ガスが供給される。同様に、空気極２４の側に設けられる空気極側セパレータ１４７にもガス流路４０が設けられ、このガス流路４０を通じてセル５０に酸化剤ガスが供給される。具体的には、燃料電池の運転時、ガス流路３８から燃料極２２に燃料ガス、たとえば水素ガスが供給され、ガス流路４０から空気極２４に酸化剤ガス、たとえば空気が供給される。
【００３８】
固体高分子電解質膜２０は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、燃料極２２および空気極２４の間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。固体高分子電解質膜２０は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、たとえば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基またはカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２などがあげられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどがあげられる。
【００３９】
燃料極２２における触媒層２６および空気極２４における触媒層３０は、多孔膜であり、イオン交換樹脂と、触媒を担持した炭素粒子とから構成されるのが好ましい。担持される触媒には、たとえば白金、ルテニウム、ロジウムなどの１種または２種以上を混合したものを用いる。また触媒を担持する炭素粒子には、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどがある。
【００４０】
イオン交換樹脂は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜２０を接続し、両者間においてプロトンを伝導する役割を持つ。イオン交換樹脂は、固体高分子電解質膜２０と同様の高分子材料から形成されてよい。
【００４１】
燃料極２２におけるガス拡散層２８および空気極２４におけるガス拡散層３２は、供給される水素ガスまたは空気を触媒層２６および触媒層３０に供給する機能を持つ。また発電反応により生じる電荷を外部回路に移動させる機能や、水や未反応ガスなどを外部に放出する機能も持つ。ガス拡散層２８およびガス拡散層３２は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえばカーボンペーパーやカーボンクロスなどで構成される。
【００４２】
図４に戻り、本実施の形態の燃料電池２２５には、セル積層体２１５を中心に、外側に向かって順次それぞれ一対の集電板２０７、インシュレータ２０１、エンドプレート２１３が設けられ、最も外側にはタイプレート２１７が配置される。ここで、集電板２０７を設けることにより、セル積層体２１５で発電した電気を外部に取り出すことができる。また、エンドプレート２１３を設けることにより、セル積層体２１５を構成する各プレートの面内に均一な圧縮加重を加えることができる。
【００４３】
セル積層体２１５を挟むタイプレート２１７は、片側に２枚ずつ配置されている。タイプレート２１７には、両端にネジ部２２３が設けられたタイロッド２２１が貫通し、ナット２１９によって締め付けられる。こうすることにより、セル積層体２１５、集電板２０７、インシュレータ２０１、およびエンドプレート２１３が圧縮加重を印加された状態で一体化される。なお、インシュレータ２０１は絶縁性および燃料電池の運転温度に対する耐熱性を有する物質から選択することができ、たとえばＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）などを用いることができる。また、燃料電池２２５の周囲には断熱材（不図示）が設けられてもよい。
【００４４】
次に、燃料極側セパレータ１０１および空気極側セパレータ１４７の構成について、図１（Ａ）、図１（Ｂ）および図２（Ａ）、図２（Ｂ）を用いて説明する。
【００４５】
図１（Ａ）および図１（Ｂ）は、本実施の形態における一方の面に燃料流路が形成された燃料電池用セパレータの構成を示す図である。
【００４６】
本実施の形態において、燃料電池用セパレータの基板１０３の一方の面には図１（Ａ）に示されるように燃料流路１０５が設けられ、他方の面には図１（Ｂ）に示されるように冷却水流路１０６が設けられている。なお、燃料流路１０５は、図８のガス流路３８に該当する。
【００４７】
図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、基板１０３は、燃料電池スタックの積層方向に燃料ガス、空気および冷却水をそれぞれ供給する供給流路を形成する燃料供給用第１マニホールド１０７、空気供給用第１マニホールド１６７、および冷却水供給用第１マニホールド１１１と、燃料電池スタックの積層方向に燃料ガス、空気および冷却水をそれぞれ排出する排出流路を形成する燃料排出用第１マニホールド１０９、空気排出用第１マニホールド１６９および冷却水排出用第１マニホールド１１３と、を有する。
【００４８】
本実施の形態において、冷却水は、燃料電池の電極における反応熱を冷却するためのものを使用するが、燃料ガスまたは空気より高温であるのが好ましい。こうすれば、燃料ガスまたは空気の冷却を抑制することができる。たとえば、燃料ガスまたは空気の温度の温度を６５〜７０℃程度とし、冷却水供給用第１マニホールド１１１における冷却水の温度を７１℃とすることができる。
【００４９】
以下、基板１０３のそれぞれの面について詳細に説明する。
図１（Ａ）は、一方の面に燃料流路が形成された燃料電池用セパレータの基板の燃料流路が設けられた一方の面の立面図である。図１（Ａ）に示すように、基板１０３の一方の面には、燃料ガスを燃料供給用第１マニホールド１０７から導入する燃料導入流路１２５と、矩形の流路形成領域の長手方向に互いに実質的に平行に形成された複数の燃料流路１０５と、燃料導入流路１２５と複数の燃料流路１０５を連結する燃料供給用第２マニホールド１１５と、燃料排出用第１マニホールド１０９を介して燃料ガスを排出する燃料排出流路１２７と、複数の燃料流路１０５と燃料排出流路１２７を連結する燃料排出用第２マニホールド１１７と、が形成されている。
【００５０】
冷却水供給用第１マニホールド１１１は、燃料供給用第１マニホールド１０７および空気供給用第１マニホールド１６７よりも実質的に上方に位置している。すなわち、冷却水供給用第１マニホールド１１１の底部が、燃料供給用第１マニホールド１０７および空気供給用第１マニホールド１６７の底部よりも上方に位置するように形成されている。
【００５１】
さらに、燃料供給用第２マニホールド１１５と燃料流路１０５との間には、ノズル１４１が設けられている。ノズル１４１を設けることにより、燃料流路１０５の入口領域に抵抗が発生する。燃料供給用第２マニホールド１１５とノズル１４１または燃料導入流路１２５における流路の深さは等しくなるように段差を形成することにより、燃料ガスを効率良く供給できる。ノズル１４１の材料としては、たとえば樹脂を用いることができる。このとき、成形時の流動性が良好で仕上がり寸法精度が高く、やや可撓性があり、熱伝導性に優れる材料を用いることが好ましく、たとえばポリアセタール、ポリメチルペンテン、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルファイド、液晶ポリマー等を用いて一体成形することができる。
【００５２】
ノズル１４１の孔の直径は、燃料流路１０５の上流に圧力損失を発生させて、凝縮水を除去することができるよう決定される。たとえば、ノズル１４１の孔の直径は、入口側すなわち燃料供給用第２マニホールド１１５側をたとえば０．２５ｍｍとすることができる。このとき、各燃料流路１０５における圧力損失が均一になるように、形状が選定され設定されているので、１本当りの燃料流路１０５を流れる燃料ガス量が均一化される。また、燃料流路１０５における水分コントロールが良好に行われ、固体高分子電解質膜のドライアップや凝縮生成された水滴による燃料流路１０５の閉塞などが防止される。このため、電極における電気化学反応が安定し均一化され、全域において良好な電気化学反応が行われ、燃料電池の出力が安定する。
【００５３】
このように構成された燃料電池用セパレータにおいて、燃料ガスは、燃料供給用第１マニホールド１０７から燃料供給用第１マニホールド１０７の側方に形成された燃料導入流路１２５を経由して、燃料供給用第２マニホールド１１５に至り、燃料供給用第２マニホールド１１５からノズル１４１を経由して燃料流路１０５に供給される。そして、燃料流路１０５を通過した燃料ガスは、燃料排出用第２マニホールド１１７から燃料排出流路１２７を経由して燃料排出用第１マニホールド１０９に至り、燃料電池スタックの積層方向に排出されて、基板１０３の外部に排出される。
【００５４】
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の燃料電池用セパレータの基板１０３の冷却水流路１０６が設けられた他方の面の立面図である。図１（Ｂ）に示すように、基板１０３の他方の面には、冷却水を冷却水供給用第１マニホールド１１１から導入する冷却水導入流路１２９と、矩形の流路形成領域の長手方向に互いに実質的に平行に形成された複数の冷却水流路１０６と、冷却水導入流路１２９と複数の冷却水流路１０６を連結する冷却水供給用第２マニホールド１１９と、冷却水排出用第１マニホールド１１３を経由して冷却水を排出する冷却水排出流路１３１と、複数の冷却水流路１０６と冷却水排出流路１３１を連結する冷却水排出用第２マニホールド１２１と、が形成されている。
【００５５】
また、冷却水流路１０６の周囲の基板１０３の表面にはシール材１３３が貼り付けられており、凸状のビード１３５が形成されている。このため、積層してスタックを形成した際に、燃料極側セパレータ１０１と他のセパレータとの密着性が良好であり、ガスや水の漏出を好適に抑制することができる。シール材１３３としては、たとえばＥＰＤＭ（エチレン−プロピレン−ジエン−ゴム）などの弾性部材を用いることができる。
【００５６】
このように構成された燃料電池用セパレータにおいて、冷却水は、冷却水供給用第１マニホールド１１１から冷却水導入流路１２９を経由して冷却水供給用第２マニホールド１１９に至り、冷却水供給用第２マニホールド１１９から冷却水流路１０６に供給される。そして、冷却水流路１０６を通過した冷却水は、冷却水排出用第２マニホールド１２１から冷却水排出流路１３１を通って冷却水排出用第１マニホールド１１３に至り、燃料電池スタックの積層方向に排出されて、基板１０３外部に排出される。
【００５７】
図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、本実施の形態における一方の面に空気流路が形成された燃料電池用セパレータの構成を示した図である。図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、基板１４９は、図１の基板１０３と同様に、燃料電池スタックの積層方向に燃料ガス、空気および冷却水をそれぞれ供給する供給流路を形成する燃料供給用第１マニホールド１０７、空気供給用第１マニホールド１６７、および冷却水供給用第１マニホールド１１１と、燃料電池スタックの積層方向に燃料ガス、空気および冷却水をそれぞれ排出する排出流路を形成する燃料排出用第１マニホールド１０９、空気排出用第１マニホールド１６９および冷却水排出用第１マニホールド１１３と、を有する。
【００５８】
本実施の形態において、燃料電池用セパレータの基板１４９の一方の面には図２（Ａ）に示されるように流路が設けられていない平坦面となっている。また、他方の面には図２（Ｂ）に示されるように空気流路１５３が設けられている。なお、空気流路１５３は、図８のガス流路４０に該当する。
【００５９】
図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の燃料電池用セパレータの他方の面の立面図である。図２（Ｂ）に示すように、基板１４９の他方の面には、空気を空気供給用第１マニホールド１６７から導入する空気導入流路１５９と、矩形の流路形成領域の長手方向に互いに平行に形成された複数の空気流路１５３と、空気導入流路１５９と複数の空気流路１５３を連結する空気供給用第２マニホールド１５５と、空気を空気排出用第１マニホールド１６９を介して排出する空気排出流路１７０と、複数の空気流路１５３と空気排出流路１７０を連結する空気排出用第２マニホールド１５７と、が形成されている。
【００６０】
なお、空気極側セパレータ１４７においても、基板１４９の空気流路１５３形成領域周辺にシール材１５１が被覆されているため、ビード（不図示）により空気極側セパレータ１４７を積層した際の密着性が確保されている。
【００６１】
また、空気供給用第２マニホールド１５５と空気流路１５３との間には、ノズル１４１が設けられており、空気流路１５３内の凝縮水を排出するための圧力が確保されるため、空気流路１５３内に均一に空気が供給される。
【００６２】
また、図１（Ａ）の燃料流路側の燃料電池用セパレータと同様に、空気供給用第２マニホールド１５５とノズル１４１または空気導入流路１５９における流路の深さが等しくなるように段差を形成することにより、空気を効率よく供給できる。
【００６３】
このように構成された燃料電池用セパレータにおいて、空気は、空気供給用第１マニホールド１６７から空気供給用第１マニホールド１６７の側方に形成された空気導入流路１５９を経由して空気供給用第２マニホールド１５５に至り、空気供給用第２マニホールド１５５からノズル１４１を介して空気流路１５３に供給される。そして、空気流路１５３を通過した空気は、空気排出用第２マニホールド１５７から空気排出流路１７０を通って空気排出用第１マニホールド１６９に至り、燃料電池スタックの積層方向に排出されて、基板１４９外部に排出される。
【００６４】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）、および図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示したように、本実施の形態において、燃料導入流路１２５および空気導入流路１５９は、縦長の略楕円形の燃料供給用第１マニホールド１０７および空気供給用第１マニホールド１６７の上部の側方にそれぞれ形成されている。これにより、燃料供給用第１マニホールド１０７および空気供給用第１マニホールド１６７から導入される加湿された燃料ガスおよび空気由来の凝縮水は燃料供給用第１マニホールド１０７および空気供給用第１マニホールド１６７の底部に溜まり、燃料導入流路１２５および空気導入流路１５９にそれぞれ進入しないようになっている。このため、燃料ガスが燃料供給用第１マニホールド１０７の横方向から燃料供給用第２マニホールド１１５に移動する際、または空気が空気供給用第１マニホールド１６７の横方向から空気供給用第２マニホールド１６５に移動する際の、反応ガスまたは空気中への凝縮水の混入を抑制することが可能となる。
【００６５】
また、本実施の形態において、冷却水供給用第１マニホールド１１１は、燃料供給用第１マニホールド１０７および空気供給用第１マニホールド１６７と略水平方向に並んで配置されるとともに、燃料供給用第１マニホールド１０７および空気供給用第１マニホールド１６７より実質的に上方に配置される。さらに、冷却水導入流路１２９は、冷却水供給用第１マニホールド１１１の下部に形成され、冷却水が冷却水供給用第１マニホールド１１１から重力の方向に沿って鉛直下方向に流れるとともに、燃料導入流路１２５および空気導入流路１５９を横切るように形成される。
【００６６】
これにより、本来は電極における反応熱を冷却するために供給される冷却水が、冷却水供給用第１マニホールド１１１から冷却水導入流路１２９を介して冷却水供給用第２マニホールド１１９に向かって下方に流れ込む間、燃料導入流路１２５および空気導入流路１５９が形成された裏面を横切るので、冷却水の熱により燃料ガスおよび空気の冷却を抑制し、燃料導入流路１２５および空気導入流路１５９の周辺における、加湿燃料由来の凝縮水の発生を抑制することができる。このため、凝縮水の燃料導入流路１２５および空気導入流路１５９への進入が抑制されるため、燃料ガスおよび空気の供給を確実に行うことができる。このようにして、出力の安定性に優れた燃料電池を提供することができる。
【００６７】
また、図５に示すように、本実施の形態において、冷却水供給用第１マニホールド１１１は、燃料供給用第１マニホールド１０７および空気供給用第１マニホールド１６７の間に位置し、かつ燃料供給用第１マニホールド１０７との距離ｄ１の方が、空気供給用第１マニホールド１６７との距離ｄ２より小さくなるよう配置される。
【００６８】
この構成により、同じガス温度でも、酸化剤ガスより供給量が少ないため、放熱の影響を受けて温度が低下しやすい燃料ガス側の冷却をより効果的に制御することができ、燃料ガス側の凝縮水の発生を抑制できる。
【００６９】
図９は、燃料極側セパレータ１０１の別の構成を示す図である。図９の燃料極側セパレータ１０１の基本構成は、図１（Ａ）の構成と同様であるが、接続流路２２７が形成されている点が異なる。接続流路２２７は、燃料供給用第１マニホールド１０７から上部に向かって斜めに設けられ燃料供給用第２マニホールド１１５に連通している。
【００７０】
図９の構成では、接続流路２２７が、冷却水供給用第１マニホールド１１１を通過した燃料ガスを、燃料極側セパレータ１０１の上方に導くようになっている。このため、燃料ガスは、一度燃料極側セパレータ１０１上方に導かれた後、下方の燃料供給用第２マニホールド１１５に向かって流れることとなる。また、接続流路２２７の裏面を冷却水が流れる構成となっている。
【００７１】
このため、燃料ガスの結露により発生した凝縮水を冷却水供給用第１マニホールド１１１の底部にさらに確実に堆積させることができる。一方、高露点温度の燃料ガスは接続流路２２７を上方に向かって移動する。このように、図９の構成においては、凝縮水を除去して燃料流路１０５に導く機構が簡素な構成で実現されている。このため、接続流路２２７を移動する燃料ガスが凝縮水を含むことによる燃料流路１０５の閉塞をより一層確実に抑制することができる。
【００７２】
次に、燃料極側セパレータ１０１および空気極側セパレータ１４７の製造方法について、燃料極側セパレータ１０１の場合を例に説明する。空気極側セパレータ１４７についても、同様にして作製することができる。図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）は、本実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法を説明するための図である。
【００７３】
燃料極側セパレータ１０１および空気極側セパレータ１４７は、カーボン粉末と熱硬化性樹脂粉末との混合物から成形することができる。このとき、樹脂粉末が結着剤となるため、成形が容易であり、安価なプレートが得られる。カーボン粉末と熱硬化性樹脂粉末との配合比は、たとえば重量比で１：１〜１９：１程度とすることができる。
【００７４】
図１０（Ａ）は燃料極側セパレータ１０１の製造工程を示す図である。また、図１０（Ｂ）はその製造の様子を説明する説明図である。図１０（Ａ）に示されるように、まず、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂とを均一に混合し調整して所定のコンパウンドを作成する（Ｓ１００）。ついで、このコンパウンドに２〜１０ＭＰａの範囲の面圧を加えて、予め最終成形形状に近似する形状に冷間成形する（Ｓ１０１）。続いて、その予備成形体を図１０（Ｂ）に示すように、所定の最終形状を持つ金型２６５内に充填する（Ｓ１０２）。この状態で、金型２６５を１５０〜１７０℃に加熱昇温するとともに、プレス（不図示）を動作させる。このとき、図１０（Ｂ）に示されるように、矢印ｆ方向から１０〜１００ＭＰａ、好ましくは、２０〜５０ＭＰａの範囲の面圧を加えることにより（Ｓ１０３）、金型２６５の形状に応じた最終形状の燃料極側セパレータ１０１が製造される（Ｓ１０４）。
【００７５】
このようにして製造される燃料極側セパレータ１０１においては、コンパウンドを最終形状に近似する形状に予備成形した上、その予備成形体を金型２６５に充填し１５０〜１７０℃に加熱昇温しながら、１０〜１００ＭＰａ（好ましくは、２０〜５０ＭＰａ）の高い成形面圧を加えることで、熱硬化性樹脂が溶解するとともに熱硬化反応が起こり、成形体密度が大きい所定形状の燃料極側セパレータ１０１に均質に成形することができる。
【００７６】
（第２の実施の形態）
図６は、本実施の形態における一方の面に燃料流路が形成された燃料電池用セパレータの冷却水流路が設けられた他方の面の構成を示した図である。図６のセパレータの基本構成は図１（Ｂ）と同様であるが、冷却水導入流路１２９が、燃料供給用第１マニホールド１０７および空気供給用第１マニホールド１６７の外周全体に形成された点が異なる。
【００７７】
また、図７に示すように、本実施の形態においても上記実施の形態と同様に、冷却水供給用第１マニホールド１１１は、燃料供給用第１マニホールド１０７および空気供給用第１マニホールド１６７の間に位置し、かつ燃料供給用第１マニホールド１０７との距離ｄ１の方が、空気供給用第１マニホールド１６７との距離ｄ２より小さくなるよう配置される。
【００７８】
このように構成された本実施の形態における燃料電池においても、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。また、本実施の形態の構成では、冷却水導入流路１２９が空気供給用第１マニホールド１６７および燃料供給用第１マニホールド１０７の外周全体を覆うように形成されているため、燃料ガスおよび空気の冷却をより一層確実に抑制することができる。このため、燃料電池の出力をさらに安定化することができる。
【００７９】
以上、本発明を実施の形態に基づき説明した。これらの実施形態は例示であり、それらの各構成要素の組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００８０】
たとえば、上述の実施の形態においては、一つのセル５０あたり、一つの冷却水流路１０６が設けられた構成としたが、燃料電池をさらに薄型化する必要がある場合、冷却効率の確保できる範囲内で、たとえば二つのセル５０当たり一つの冷却水流路１０６を設ける等、積層形式の変更が可能である。
【００８１】
また、本発明の実施の形態の燃料電池において、冷却水流路１０６が形成された面のみを有するセパレータを含むことができる。
【００８２】
また、燃料極側セパレータ１０１または空気極側セパレータ１４７において、シール材１３３またはシール材１５１を流路の周囲に設ける面は、前述の面とは異なる面、すなわち燃料流路１０５の形成された面や、流路が形成されていない平滑面とすることもできる。
【００８３】
また、冷却水流路１０６は、燃料流路１０５の裏面に形成したが、空気流路１５３の裏面に形成してもよい。
【００８４】
また、冷却水供給用第１マニホールド１１１と冷却水排出用第１マニホールド１１３とを入れ替え、冷却水排出用第１マニホールド１１３を冷却水の供給用として用い、冷却水供給用第１マニホールド１１１を冷却水の排出用として用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】実施の形態に係る燃料電池用セパレータの構成を示す図である。
【図２】実施の形態に係る燃料電池用セパレータの構成を示す図である。
【図３】図１および図２の燃料電池用セパレータを含む燃料電池スタックの構成を示す分解斜視図である。
【図４】図３の燃料電池スタックを含む燃料電池の構成を示す斜視図である。
【図５】図１および図２の燃料電池用セパレータの要部構成を説明するための拡大部分略図である。
【図６】実施の形態に係る燃料電池用セパレータの冷却水流路が設けられた面の構成を示す図である。
【図７】図６の燃料電池用セパレータの要部構成を説明するための拡大部分略図である。
【図８】実施の形態に係るセルの断面構造を模式的に示す図である。
【図９】実施の形態に係る燃料電池用セパレータの構成を示す図である。
【図１０】実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８６】
２０  固体高分子電解質膜、  ２２  燃料極、  ２４  空気極、  ２６  触媒層、  ２８  ガス拡散層、  ３０  触媒層  ３２  ガス拡散層、  ３８  ガス流路、  ４０  ガス流路、  ５０  セル、  １０１  燃料極側セパレータ、  １０３  基板、  １０５  燃料流路、  １０６  冷却水流路、  １０７  燃料供給用第１マニホールド、  １０９  燃料排出用第１マニホールド、  １１１  冷却水供給用第１マニホールド、  １１３  冷却水排出用第１マニホールド、  １１５  燃料供給用第２マニホールド、  １１７  燃料排出用第２マニホールド、  １１９  冷却水供給用第１マニホールド、  １２１  冷却水排出用第２マニホールド、  １２５  燃料導入流路、  １２７  燃料排出流路、  １２９  冷却水導入流路、  １３１  冷却水排出流路、  １３３  シール材、  １３５  ビード、  １４１  ノズル、  １４７  空気極側セパレータ、  １４９  基板、  １５１  シール材、  １５３  空気流路、  １５５  空気供給用第２マニホールド、  １５７  空気排出用第２マニホールド、  １５９  空気導入流路、  １６７  空気供給用第１マニホールド、  １６９  空気排出用第１マニホールド、  １７０  空気排出流路、  １７１  燃料極側セパレータ、  ２０１  インシュレータ、  ２０７  集電板、  ２１３  エンドプレート、  ２１５  セル積層体、  ２１７  タイプレート、  ２１９  ナット、  ２２１  タイロッド、  ２２３  ネジ部、  ２２５  燃料電池、  ２２７  接続流路、  ２６５  金型。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005135707.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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